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Définition et synonyme de : STABILITÉ, sciences

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Article publié par Encyclopaedia Universalis STABILITÉ, sciences Dans le langage commun, la stabilité désigne une situation ferme et solide. Dans le domaine des sciences physiques, cette dénomination recouvre plusieurs notions de significations assez voisines, exprimant la permanence dans le temps de caractéristiques essentielles du système considéré. Dans la branche de la mécanique qui considère les systèmes statiques, la notion de stabilité affine la notion d'équilibre. Contrairement à l'équilibre instable qui est détruit par la plus légère perturbation, l'équilibre stable tend à se rétablir spontanément lorsqu'il est dérangé. Une autre situation, qualifiée de métastable, est celle où le système revient seulement si la perturbation est suffisamment faible. Un exemple simple est celui d'un crayon en équilibre stable posé à plat sur une table, qui passe à un équilibre instable lorsqu'il est mis sur sa pointe, et à un équilibre métastable s'il est placé sur l'extrémité opposée à sa pointe. La notion de stabilité d'un système dynamique s'oppose au comportement chaotique, c'est-à-dire à la très grande sensibilité des trajectoires d'équilibre lors de perturbations passagères ou face à un changement minime de conditions initiales. L'analyse mathématique de ces systèmes s'est révélée extrêmement difficile. L'exemple le plus fameux est celui de la trajectoire des multiples objets (planètes, comètes, satellites, astéroïdes) que contient le système solaire.
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STABILITÉ, sciences

Dans le langage commun, la stabilité désigne une situation ferme et solide. Dans le domaine des sciences physiques, cette dénomination recouvre plusieurs notions de significations assez voisines, exprimant la permanence dans le temps de caractéristiques essentielles du système considéré.

Dans la branche de la mécanique qui considère les systèmes statiques, la notion de stabilité affine la notion d'équilibre. Contrairement à l'équilibre instable qui est détruit par la plus légère perturbation, l'équilibre stable tend à se rétablir spontanément lorsqu'il est dérangé. Une autre situation, qualifiée de métastable, est celle où le système revient seulement si la perturbation est suffisamment faible. Un exemple simple est celui d'un crayon en équilibre stable posé à plat sur une table, qui passe à un équilibre instable lorsqu'il est mis sur sa pointe, et à un équilibre métastable s'il est placé sur l'extrémité opposée à sa pointe.

La notion de stabilité d'un système dynamique s'oppose au comportement chaotique, c'est-à-dire à la très grande sensibilité des trajectoires d'équilibre lors de perturbations passagères ou face à un changement minime de conditions initiales. L'analyse mathématique de ces systèmes s'est révélée extrêmement difficile. L'exemple le plus fameux est celui de la trajectoire des multiples objets (planètes, comètes, satellites, astéroïdes) que contient le système solaire. Henri Poincaré démontra en 1899 qu'on ne pouvait pas déterminer les solutions des équations de ce problème (et cela dès que le nombre de corps est égal à 3). La compréhension des propriétés de stabilité a cependant nettement progressé pendant la seconde moitié du xxe siècle. Le cas le plus simple est la perturbation, par le passage d'une planète, du mouvement d'un astéroïde en orbite autour du Soleil. En utilisant les méthodes inventées par Andreï Kolmogorov (1903-1987), Vladimir Arnold a démontré en 1963 que la trajectoire est stable, au sens qu'elle s'écarte peu de l'orbite initiale même après un temps infiniment long, à condition que la masse de la planète perturbatrice soit suffisamment petite.

La métastabilité est un concept important dans l'étude des changements d'états de la matière. On peut ainsi observer que, en refroidissant lentement un liquide, celui-ci reste à l'état liquide en dessous de sa température normale de solidification. Ce phénomène, appelé surfusion ou retard à la solidification, produit un état métastable qui se solidifie très rapidement s'il subit un choc ou s'il est en contact avec une parcelle de solide correspondant. C'est ce que l'on constate par exemple dans la formation du verglas. Des états métastables apparaissent aussi lors de retard à la liquéfaction ou à la vaporisation ; ce dernier phénomène est mis à profit dans les chambres à bulles qui détectent les trajectoires des particules chargées.

En chimie, la notion de stabilité caractérise la permanence d'une combinaison d'éléments. La dégradation d'un composé chimique peut être causée par divers phénomènes : l'oxydation par l'air, l'action de l'eau ou celle des rayons ultraviolets provoquant des réactions photo-induites. Stabiliser un tel matériau, c'est rendre ces réactions les plus lentes possible en lui incorporant des ingrédients sous une forme et à une concentration précises. Ainsi, le polyéthylène, dont l'emploi s'est généralisé, est souvent stabilisé par des phénols antioxygènes et par des dérivés antiultraviolets du benzothiazol, à des concentrations de quelques millièmes.

En science des matériaux, on qualifie de stable un échantillon qui conserve ses propriétés. La stabilité est donc l'état dans lequel doit se maintenir une construction sous l'action des effets normaux ou exceptionnels qu'elle reçoit. Cet état doit placer l'ensemble de l'ouvrage et tous ses éléments en sécurité suffisante par rapport au critère de ruine. Plus précisément, la stabilité dimensionnelle est la capacité d'un matériau ou d'un élément à conserver sa morphologie et ses dimensions dans des conditions normales d'utilisation. Obtenir un matériau stable est une obligation pour l'ingénieur et l'architecte. On stabilise un sol mécaniquement ou par addition d'un liant approprié, afin de le rendre conforme à l'usage prévu (par exemple résistant aux intempéries). En métallurgie, tel acier est stable après un traitement spécifique tandis que tel autre s'oxyde et perd ses qualités mécaniques. La stabilité d'une couche de revêtement routier à matériaux enrobés est sa capacité de résistance à la déformation sous l'effet des charges dynamiques et statiques imposées durant une longue période, afin qu'elle n'accuse aucune dépression ou ondulation à moyenne échéance.

En physique nucléaire, la stabilité s'oppose à l'aptitude à la désintégration radioactive. Les noyaux stables sont les combinaisons de Z protons et de N neutrons, pour lesquels Z et N ne sont ni trop grands ni trop différents. Le noyau de carbone 12 (6 protons et 6 neutrons) est ainsi stable, tandis que celui de carbone 14 (6 protons et 8 neutrons) est instable, et se désintègre au fil du temps à raison de moitié tous les 5 568 ans, ce qui permet la datation des objets anciens. On ne sait pas actuellement si tous les noyaux de grande masse se désintègrent spontanément ou si leur inexistence apparente provient plutôt de la difficulté de les synthétiser. Certains modèles théoriques prédisent un îlot de stabilité pour des nombres Z aux environs de 120. En fait, tous les noyaux – même ceux que l'on appelle stables – peuvent, par suite d'une collision avec un neutron ou une particule énergétique, se transmuter en d'autres éléments, ou fissionner en deux noyaux plus légers.

Le caractère stable du neutron est particulier. À l'état libre, le neutron se désintègre spontanément en un proton, avec émission d'un électron et d'un antineutrino. C'est l'exemple le plus simple de radioactivité bêta. Mais lorsque le neutron est lié à d'autres protons et neutrons dans un noyau stable, ce processus est bloqué par la loi de conservation de l'énergie, si bien que le neutron apparaît alors comme une entité stable. À un niveau plus élémentaire, et dans les limites de précision des expériences actuelles, seuls les protons (ou plus exactement les quarks u qui sont les quarks les plus légers), les électrons et les neutrinos sont absolument stables, comme le sont leurs antiparticules à condition qu'on évite les rencontres entre particules et antiparticules. Motivées par des spéculations théoriques, des expériences extrêmement précises ont montré que la durée de vie moyenne du proton était supérieure à 1031 années. Il ne faut pas comparer ce nombre avec l'âge de l'Univers, car la notion statistique de durée de vie d'une particule signifie que moins d'un proton sur 1030 (soit le contenu d'environ dix tonnes de matière) se désintègre pendant une durée de dix ans.

Auteur: Bernard PIRE
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